[发明专利]一种金属陶瓷复合材料及其涂层制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料与表面工程中热喷涂领域，涉及一种复合粉末及其复合涂层的制备方法，具体涉及一种用于大气等离子喷涂制备低热导率的金属基复合粉末及其涂层的制备方法。该专利可应用于柴油发动机热端部件的隔热防护。

背景技术

柴油发动机应用广泛，处在所属产业链的相对核心的位置。国内柴油机的市场需求也较大，尤其是农业生产方面。作为柴油机车的核心部件及动力输出装置，柴油发动机在汽车的使用性能和节能减排方面起着决定性的作用。发动机工作过程中，由于气缸盖内表面以及活塞顶端表面与高温燃气直接接触，极易产生热蚀失效问题，从而导致发动机工作效率低。在这些热端部件的表面上制备热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)是比较适宜的解决办法。

目前，热障涂层的研究重点主要集中在陶瓷基材料以及金属基材料。陶瓷基热障涂层如YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)涂层，其优点在于具有优良的热物理性能，具有良好的高温热稳定性；缺点在于陶瓷材料固有的脆性，使其在苛刻的热和机械载荷作用下诱发高频热疲劳，造成开裂、剥落最终失效。金属基热障涂层如铁基非晶涂层，其优点在于韧性好、与金属合金有更好的热膨胀匹配性、工艺简单、成本低；缺点是高温的热稳定性能差。金属基复合材料(MMCs)兼有金属的性能(塑性和韧性)和陶瓷的优点(高强度、高刚度)，从而显示出不同于基体合金的物理性能和机械性能，如较高的比强度、比刚度及更好的热稳定性、耐磨性以及尺寸稳定性等，在具有比基体合金更高的抗压、抗剪切及高温承受能力的同时，还具有传统合金材料无法比拟的可设计性。由于柴油发动机工作时，气缸内温度达到500-700℃，因此，开发一种新型金属基复合材料(铁基-陶瓷复合材料)使其具有较低热导率、良好的高温热稳定性、韧性及强度，是解决热端部件热蚀失效问题的一条新路。

在复合涂层制备方法中，大气等离子喷涂(APS)具有其鲜明的工艺特点，包括喷涂材料范围广，从低熔点到高熔点的材料都可以喷涂，对喷涂粉末的粒度要求不高，涂层孔隙率较低，氧化物夹杂少等，是制备金属基复合涂层的有效方法之一。

经检索，目前并没有涉及铁基-陶瓷复合粉末材料并采用大气等离子喷涂(APS)方法制备铁基-陶瓷复合隔热涂层相关技术的专利报道。

发明内容

针对上述研究背景，本发明的目的在于提供一种低热导率的铁基-陶瓷复合隔热涂层材料及其涂层制备方法。

一种用于制备金属基复合涂层用的复合粉末材料，其特征在于，粉末中包含铁基非晶合金粉末与陶瓷两种成分；铁基非晶合金粉末原材料质量组成：硼铁(B的质量百分含量：16％-20％)：21.34％～26.57％，铌铁(Nb的质量百分含量：63％-67％)：10.8％～13.6％，硅铁(Si的质量百分含量：73％-77％)：1％～6％，纯铬：14％～17％以及纯铁39％～47％；陶瓷粉末原材料为YSZ(ZrO₂-6％～8％Y₂O₃)即Y₂O₃占YSZ的质量百分比为6％～8％。

YSZ质量占铁基非晶合金粉末与YSZ总量的6％～22％，优选10％～20％。

铁基非晶合金粉末为球形，粒度范围为25～45μm；YSZ粒度范围45～75μm。

采用上述材料制备一种低热导率的金属基复合涂层，包括如下步骤：

步骤1、按照所述原材料含量制备铁基非晶合金粉末，采用氮气雾化方法；采用团聚烧结的方法制备YSZ；

步骤2、将铁基非晶合金粉末与YSZ粉末按比例机械混合得到复合粉末，然后对金属基体表面进行预处理去除表面氧化膜以及污垢，然后对金属基体进行喷砂处理；

步骤3、将步骤2的复合粉末采用大气等离子喷涂(Atmospheric plasma spraying，APS)工艺在金属基体表面制备铁基-陶瓷复合隔热涂层，喷涂工艺参数为：电流:500～700A，优选550～650A,氩气流量：30～40L/min,氢气流量：6～14L/min，优选6～13L/min；送粉率：42～60g/min,喷涂距离：110～140mm，优选125～135mm。

步骤2中的金属基体优选铝合金基体。

采用上述方法制备得到的一种具有相对较低热导率的铁基-陶瓷复合涂层。

本发明采用大气等离子喷涂方法制备的一种铁基-陶瓷复合涂层所具有的低热导率主要是其自身组分与制备方法决定的。其作用为：